时速600公里磁浮列车隧道压力波及气动力特性研究

摘要

磁浮列车的试验运行速度可达600km/h，相比于传统轮轨列车极大的缩短了乘客的旅行时间，同时空气流动也会对列车产生强烈的气动作用。尤其当磁浮列车高速通过隧道时，由于车体壁面和隧道壁面的限制，使隧道内的空气流动更加剧烈和复杂，气动现象较明线上更加强烈，对列车的安全性、司乘人员的舒适性等产生极大的影响。因此，有必要对磁浮列车高速通过隧道过程中列车的空气动力性能进行深入研究，为我国发展高速磁浮交通技术提供支撑。
　　本文以我国拟议的高速磁浮列车模型为研究对象，使用三维数值模拟方法对磁浮列车通过隧道时湍流外流场特性及气动力特性进行研究。基于压力修正求解算法，采用RANS湍流模拟方法，SST k-ω湍流模型求解磁浮列车高速通过隧道时的外部空气三维、非定常、可压缩、湍流流动，利用重叠网格技术来实现磁浮列车与隧道间相对运动的过程。
　　首先，为了验证本文磁浮列车通过隧道过程数值模拟计算结果的正确性，建立了列车—隧道数值模拟计算验证模型，通过与日本旋成体动模型试验数据进行对比，验证了本文数值计算方法以及网格划分策略的正确性，同时验证了本文计算采用的重叠网格技术来模拟磁浮列车通过隧道过程的可行性。
　　其次，分析了磁浮列车驶入隧道过程压缩波和膨胀波的产生机理，得出了磁浮列车通过隧道时，由于隧道内压缩波和膨胀波的不断反射叠加与传播，导致流场分布随时间发生变化，压缩波使空气压力升高，膨胀波使空气压力降低。磁浮列车以不同运行速度通过隧道时，空气压力变化规律大致相同，速度越高，压力峰值越大。
　　最后，分析了磁浮列车通过隧道过程中列车所受的气动力变化特性。列车气动阻力与隧道压力波反射叠加密切相关，气动阻力的剧烈变化与车头及车尾端的压力急剧变化相关，列车车头驶入隧道时气动阻力急剧增大，列车车身驶入隧道过程气动阻力线性缓慢增长，列车车尾驶入隧道时气动阻力再次急剧增大;磁浮列车在进出隧道过程，气动侧向力会发生明显的振荡现象，导致车体发生相应的左右摆动。在隧道内运行时，气动侧向力方向指向靠近隧道壁面一侧;磁浮列车气动升力方向向上，在列车进入隧道过程，气动升力先小幅度上升而后下降，直至车尾进入隧道时再次上升。在列车驶出隧道过程，气动升力先下降而后上升，直至车尾驶出隧道时再次下降;磁浮列车以不同运行速度通过隧道时，列车气动力变化规律大致相同，速度越高，气动力峰值越大，列车明线气动力和隧道气动力平均值与速度近似成平方关系。
　　本文对高速磁浮列车通过隧道过程中流场特性和气动力特性的研究结果，为今后进一步系统研究提供较好的基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 磁浮交通系统概述

1．1．1 磁浮列车介绍

1．1．2 磁浮列车分类及原理

1．2 磁浮列车速度演化过程

1．3 山梨磁悬浮试验线和磁悬浮中央新干线特征

1．3．1 山梨磁悬浮试验线

1．3．2 磁悬浮中央新干线

1．4 磁浮列车空气动力学

1．5 磁浮列车空气动力学国内外研究现状

1．5．1 国外研究现状

1．5．2 国内研究现状

1．5．3 存在的问题

1．6 研究目的和意义

1．7 本文研究内容和方法

2 基本理论和数值方法

2．1 磁浮列车绕流基本特征

2．2 基本控制方程

2．3 湍流模拟方法

2．3．1 雷诺时均法(RANS)

2．3．2 SST k-ω湍流模型

2．3．3 近壁面区处理方法

2．4 数值求解方法

2．5 重叠网格技术

2．5．2 重叠网格的基本流程

2．6 本章小结

3 数值方法验证

3．1 日本动模型试验装置特征

3．2 计算模型与计算区域

3．2．1 旋成体列车和隧道模型

3．2．2 计算区域

3．3 初始条件和边界条件

3．3．1 初始条件

3．3．2 边界条件

3．4 网格划分

3．5 数值计算结果与试验结果比较

3．5．1 测点位置

3．5．2 结果比较

3．6 本章小结

4 磁浮列车通过隧道时外流场特性

4．1 计算模型和计算区域

4．1．1 磁浮列车模型

4．1．2 隧道模型

4．1．3 计算区域

4．2 网格划分

4．3 测点位置

4．4 隧道内流场变化

4．4．1 压缩波和膨胀波产生机理

4．4．2 磁浮列车通过隧道过程流场特征

4．4．3 磁浮列车车体表面压力变化机理

4．4．4 隧道空间压力变化机理

4．5 车速影响特性

4．5．1 车速对磁浮列车车体表面压力变化的影响

4．5．2 车速对隧道空间压力变化的影响

4．6 本章小结

5 磁浮列车通过隧道时列车气动力特性

5．1 气动力定义

5．2 磁浮列车气动阻力变化特性

5．2．1 磁浮列车气动阻力形成机理

5．2．2 磁浮列车气动阻力时间历程特征

5．2．3 磁浮列车不同车厢气动阻力时间历程特征

5．3 磁浮列车气动侧向力变化特性

5．3．1 磁浮列车气动侧向力时间历程特征

5．3．2 磁浮列车不同车厢气动侧向力时间历程特征

5．4 磁浮列车气动升力变化特性

5．4．1 磁浮列车气动升力时间历程特征

5．4．2 磁浮列车不同车厢气动升力时间历程特征

5．5 车速影响特性

5．5．1 车速对磁浮列车气动阻力的影响

5．5．2 车速对磁浮列车气动侧向力的影响

5．5．3 车速对磁浮列车气动升力的影响

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参与科研课题